JP7764339B2 - Secondary batteries, battery packs, vehicles, and stationary power sources - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、二次電池、電池パック、車両、及び定置用電源に関する。 Embodiments of the present invention relate to secondary batteries, battery packs, vehicles, and stationary power sources.
水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池は、非水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池と異なり、充放電においてH2を中心とするガス発生がみられる。また、水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池では、鉛蓄電池とは異なり、O2発生がないため、H2とO2の再結合に基づくガス処理方法では発生ガスの対処が困難である。 Unlike lithium ion secondary batteries with non-aqueous electrolytes, lithium ion secondary batteries with aqueous electrolytes generate gases, mainly H2 , during charging and discharging. Also, unlike lead-acid batteries, lithium ion secondary batteries with aqueous electrolytes do not generate O2 , making it difficult to deal with the generated gases using gas treatment methods based on the recombination of H2 and O2 .
電池内部に発生したガスの処理については、ニッケル水素蓄電池(Ni-MH)、鉛蓄電池であれば触媒や水素吸蔵合金を用いた化学的な再結合の報告がある。また、非水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池においては、合金への吸蔵などの報告がある。 Regarding the treatment of gas generated inside batteries, there have been reports of chemical recombination using catalysts or hydrogen storage alloys in nickel-metal hydride (Ni-MH) and lead-acid batteries. Furthermore, there have been reports of hydrogen storage in alloys in lithium-ion secondary batteries with non-aqueous electrolytes.
しかしながら、これらの方法は、電池内部にH2とO2が共存するニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、あるいは電解液のH2溶解量が比較的高い非水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池に限定された手法である。それらの条件を満たさない水系電解質を備えたリチウムイオン二次電池には適用できないという課題がある。 However, these methods are limited to nickel-metal hydride batteries and lead-acid batteries in which H2 and O2 coexist inside the battery, or lithium-ion secondary batteries with non-aqueous electrolytes in which the amount of H2 dissolved in the electrolyte is relatively high, and have the problem that they cannot be applied to lithium-ion secondary batteries with aqueous electrolytes that do not satisfy these conditions.
解決しようとする課題は、ガス発生による内圧上昇を抑制することが可能な二次電池、この二次電池を備えた電池パック、車両、及び定置用電源を提供することである。 The problem to be solved is to provide a secondary battery that can suppress an increase in internal pressure due to gas generation, a battery pack equipped with this secondary battery, a vehicle, and a stationary power source.
実施形態によれば、正極と、負極と、水系電解質と、ガス処理構造体とを含む、二次電池が提供される。ガス処理構造体は、正極と導通させることにより水素ガスを処理できる。 According to an embodiment, a secondary battery is provided that includes a positive electrode, a negative electrode, an aqueous electrolyte, and a gas processing structure. The gas processing structure can process hydrogen gas by being electrically connected to the positive electrode.
実施形態によれば、実施形態の電池を具備した電池パックが提供される。 According to an embodiment, a battery pack including a battery according to the embodiment is provided.
また、実施形態によれば、実施形態の電池パックを具備した車両が提供される。 Furthermore, according to an embodiment, a vehicle equipped with the battery pack of the embodiment is provided.
また、実施形態によれば、実施形態の電池パックを具備した定置用電源が提供される。 Furthermore, according to an embodiment, a stationary power source equipped with a battery pack of the embodiment is provided.
以下に実施形態が図面を参照して記述される。以下の記述において、略同一の機能および構成を有する構成要素は同一符号を付され、繰り返しの説明は省略される場合がある。図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なり得る。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、ある実施形態についての記述は全て、明示的にまたは自明的に排除されない限り、別の実施形態の記述としても当てはまる。各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定しない。
(第1の実施形態)
第1の実施形態の二次電池を図1~図8を参照して説明する。図1は、二次電池の一例を示す平面図であり、外装部材内の構造の理解を容易にするため、外装部材が部分的に切り欠かれている。図1に示す通り、二次電池1は、外装部材2と、外装部材2内に収納される積層体3とを含む。積層体3は、電極群4と、ガス処理構造体5とを含む。二次電池1は、電極群4の正極と電気的に接続される正極端子6と、電極群4の負極と電気的に接続される負極端子7と、正極端子6とガス処理構造体5とを電気的に接続するための配線8と、配線8に介在される抵抗器9とをさらに含む。図1では、電極群4の主面がxy平面に並行で、電極群4の厚さ方向がz軸方向に平行である。また、電極群4の主面は矩形状である。電極群4の長辺方向がy軸方向に平行で、電極群4の短辺方向がx軸方向に平行である。
The following embodiments are described with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same functions and configurations are designated by the same reference numerals, and repeated explanations may be omitted. The drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each layer, and the like may differ from the actual ones. Furthermore, the drawings may include portions in which the dimensional relationships and ratios differ from each other. Furthermore, all descriptions of one embodiment also apply to descriptions of other embodiments unless explicitly or obviously excluded. Each embodiment exemplifies an apparatus or method for embodying the technical idea of the embodiment, and the technical idea of the embodiment does not specify the materials, shapes, structures, arrangements, etc. of the components described below.
(First embodiment)
A secondary battery according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 is a plan view showing an example of a secondary battery, with the exterior member partially cut away to facilitate understanding of the internal structure of the exterior member. As shown in FIG. 1, the secondary battery 1 includes an exterior member 2 and a stack 3 housed within the exterior member 2. The stack 3 includes an electrode group 4 and a gas treatment structure 5. The secondary battery 1 further includes a positive electrode terminal 6 electrically connected to the positive electrode of the electrode group 4, a negative electrode terminal 7 electrically connected to the negative electrode of the electrode group 4, wiring 8 for electrically connecting the positive electrode terminal 6 to the gas treatment structure 5, and a resistor 9 interposed in the wiring 8. In FIG. 1, the main surface of the electrode group 4 is parallel to the xy plane, and the thickness direction of the electrode group 4 is parallel to the z-axis direction. The main surface of the electrode group 4 is rectangular. The long side direction of the electrode group 4 is parallel to the y-axis direction, and the short side direction of the electrode group 4 is parallel to the x-axis direction.
電極群4は、図3に示す通りに、積層型の電極群である。積層型の電極群4は、正極10と負極11とをその間にセパレータ12を介在させながら交互に積層した構造を有している。電極群4は、複数の正極10を含んでいる。複数の正極10は、それぞれが、正極集電体10aと、正極集電体10aの両面に担持された正極合剤層10bとを備えている。また、電極群4は、複数の負極11を含んでいる。複数の負極11は、それぞれが、負極集電体11aと、負極集電体11aの両面に担持された負極合剤層11bとを備えている。 As shown in Figure 3, the electrode group 4 is a stacked electrode group. The stacked electrode group 4 has a structure in which positive electrodes 10 and negative electrodes 11 are alternately stacked with separators 12 interposed therebetween. The electrode group 4 includes a plurality of positive electrodes 10. Each of the plurality of positive electrodes 10 includes a positive electrode current collector 10a and a positive electrode mixture layer 10b supported on both sides of the positive electrode current collector 10a. The electrode group 4 also includes a plurality of negative electrodes 11. Each of the plurality of negative electrodes 11 includes a negative electrode current collector 11a and a negative electrode mixture layer 11b supported on both sides of the negative electrode current collector 11a.
各正極10の正極集電体10aは、その一辺において、いずれの表面にも正極合剤層10bが担持されていない部分を含む。この部分は、正極集電タブとして働く。正極集電タブとして働く部分は、負極11と重なっていない。また、複数の正極集電タブは、帯状の正極端子6に電気的に接続されている。帯状の正極端子6の先端は、外装部材2の外部に引き出されている。 The positive electrode current collector 10a of each positive electrode 10 includes a portion on one side where the positive electrode mixture layer 10b is not supported on any surface. This portion functions as a positive electrode current collector tab. The portion functioning as the positive electrode current collector tab does not overlap with the negative electrode 11. In addition, the multiple positive electrode current collector tabs are electrically connected to a strip-shaped positive electrode terminal 6. The tip of the strip-shaped positive electrode terminal 6 is extended outside the exterior member 2.
図3に示す通りに、各負極11の負極集電体11aは、その一辺において、いずれの表面にも負極合剤層11bが担持されていない部分11cを含む。この部分11cは、負極集電タブとして働く。負極集電タブは、正極10と重なっていない。また、負極集電タブは、正極集電タブに対し電極群4の反対側に位置する。負極集電タブは、帯状の負極端子7に電気的に接続されている。帯状の負極端子7の先端は、正極端子6とは反対側に位置し、外装部材2の外部に引き出されている。 As shown in FIG. 3, the negative electrode current collector 11a of each negative electrode 11 includes a portion 11c on one side where the negative electrode mixture layer 11b is not supported on any surface. This portion 11c serves as a negative electrode current collecting tab. The negative electrode current collecting tab does not overlap with the positive electrode 10. The negative electrode current collecting tab is located on the opposite side of the electrode group 4 from the positive electrode current collecting tab. The negative electrode current collecting tab is electrically connected to a strip-shaped negative electrode terminal 7. The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 7 is located on the opposite side of the positive electrode terminal 6 and is pulled out to the outside of the exterior member 2.
水系電解質(図示を省略)は、電極群4に保持されている。 An aqueous electrolyte (not shown) is held in the electrode group 4.
図2は、積層体3を積層方向(図1のz軸方向)に切断した断面図である。図2に示す電極群4では、説明の便宜上、セパレータ12が省略されている。ガス処理構造体5は、電極群4の一方の主面側に配置されている。ここで、電極群4の主面は、図2におけるxy平面に平行な面である。ガス処理構造体5は、電極群4の主面と接していても良いし、電極群4の主面との間に隙間を隔てた状態で配置されていても良い。ガス処理構造体5は、導電性の多孔質基板13と、多孔質基板13の一方の主面(xy平面に平行な面)に担持または積層されたガス処理層14とを含む。ガス処理層14は、例えば、貴金属触媒を含む。ガス処理構造体5の多孔質基板13の主面が電極群4と向き合っている。ガス処理構造体5のガス処理層14と電極群4との間に多孔質基板13が位置している。多孔質基板13は、電極群4と接していても良いし、電極群4との間に隙間があっても良い。配線8の一端は、多孔質基板13に電気的に接続されている。配線8は、抵抗器9を介して正極端子6に電気的に接続されている。なお、図2では、ガス処理構造体5の多孔質基板13の主面が電極群4と向き合っているが、ガス処理層14の主面が電極群4と接していても良いし、電極群4と間隔を開けて対向していても良い。 Figure 2 is a cross-sectional view of the laminate 3 cut in the stacking direction (z-axis direction in Figure 1). For ease of explanation, the separator 12 is omitted from the electrode group 4 shown in Figure 2. The gas processing structure 5 is disposed on one main surface of the electrode group 4. Here, the main surface of the electrode group 4 is a plane parallel to the xy plane in Figure 2. The gas processing structure 5 may be in contact with the main surface of the electrode group 4, or may be disposed with a gap between it and the main surface of the electrode group 4. The gas processing structure 5 includes a conductive porous substrate 13 and a gas processing layer 14 supported or laminated on one main surface (a plane parallel to the xy plane) of the porous substrate 13. The gas processing layer 14 contains, for example, a precious metal catalyst. The main surface of the porous substrate 13 of the gas processing structure 5 faces the electrode group 4. The porous substrate 13 is located between the gas processing layer 14 of the gas processing structure 5 and the electrode group 4. The porous substrate 13 may be in contact with the electrode group 4, or there may be a gap between the electrode group 4 and the porous substrate 13. One end of the wiring 8 is electrically connected to the porous substrate 13. The wiring 8 is electrically connected to the positive electrode terminal 6 via a resistor 9. Note that in FIG. 2, the main surface of the porous substrate 13 of the gas processing structure 5 faces the electrode group 4, but the main surface of the gas processing layer 14 may be in contact with the electrode group 4, or may face the electrode group 4 with a gap therebetween.
外装部材2は、例えば、金属層を含むラミネートフィルムから形成されている。外装部材2は、正極端子6及び負極端子7それぞれの先端が、図1のy軸方向に沿って突出した状態で封止されている。 The exterior member 2 is formed, for example, from a laminate film including a metal layer. The exterior member 2 is sealed in a state in which the tips of the positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7 protrude along the y-axis direction in Figure 1.
以上説明した水系電解質を含む二次電池では、例えばフロート充電、充放電サイクルなどの際に水の電気分解が生じて水素ガスが発生する。水素ガスは、外装部材2内において、ガス処理構造体5の多孔質基板13を透過してガス処理層14に到達する。ガス処理構造体5は、抵抗器9を介して正極10の正極端子6と導通している。そのため、ガス処理層14において、以下の反応式(A)に従って水素ガスが水に変換される。この反応は、E0が-0.83Vの電位で生じ得る。 In the secondary battery containing the aqueous electrolyte described above, electrolysis of water occurs, generating hydrogen gas, for example, during float charging or charge/discharge cycles. The hydrogen gas permeates the porous substrate 13 of the gas processing structure 5 within the exterior member 2 and reaches the gas processing layer 14. The gas processing structure 5 is electrically connected to the positive electrode terminal 6 of the positive electrode 10 via a resistor 9. Therefore, in the gas processing layer 14, the hydrogen gas is converted into water according to the following reaction formula (A). This reaction can occur when E0 is at a potential of −0.83 V.
上記反応により水素ガスが消費される。また、生成した水は、水系電解質の溶媒として機能することができる。一方、正極10では、例えば反応式(B)に従って自己放電が生じ得る。反応式(B)は、正極活物質としてLiMn2O4を用いた場合の正極の放電反応を示す。この放電反応は、E0が+0.95Vの電位で生じ得る。 The above reaction consumes hydrogen gas. The generated water can function as a solvent for the aqueous electrolyte. Meanwhile, the positive electrode 10 may self-discharge, for example, according to reaction formula (B). Reaction formula (B) shows the discharge reaction of the positive electrode when LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material. This discharge reaction may occur at a potential of +0.95 V.
(A)式と(B)式をまとめた全反応式を、下記(C)に示す。 The overall reaction equation combining equations (A) and (B) is shown below in (C).
(C)式の反応の起電力Eは、1.78Vである。 The electromotive force E of reaction (C) is 1.78 V.
以上の説明の通り、ガス処理構造体5を正極10と導通させることにより、正極の自己放電を伴いながら、起電力1.78V程度で自発的に気相H2と水酸化物イオン(OH-)との再結合反応を生じさせることができる。その結果、二次電池内に水素ガスが蓄積されるのを抑制することができるため、二次電池の内圧上昇を抑制することができ、充放電効率を改善することができる。電池内部にガスが蓄積すると、電極表面の液絡が阻害され充放電に寄与できる電極表面積が低下することで放電容量が低下する。これに伴い、充放電効率が低下する。また、水素ガスを処理する過程で正極の自己放電も生じることから、正極の過充電についても抑制することができる。さらに、ガス処理構造体5が、抵抗器9を介して正極10と電気的に接続されているため、ガス処理構造体5に流れる電流を一定に制御することができる。これにより、正極の自己放電量が多くなりすぎるのを防ぐことができるため、正極の過放電を防止することができる。 As explained above, by electrically connecting the gas processing structure 5 to the positive electrode 10, a spontaneous recombination reaction between gaseous H 2 and hydroxide ions (OH − ) can occur at an electromotive force of approximately 1.78 V, accompanied by self-discharge of the positive electrode. As a result, hydrogen gas accumulation within the secondary battery can be suppressed, thereby suppressing an increase in the internal pressure of the secondary battery and improving charge/discharge efficiency. When gas accumulates within the battery, the liquid junction on the electrode surface is obstructed, reducing the electrode surface area that can contribute to charge/discharge, thereby reducing the discharge capacity. This in turn reduces charge/discharge efficiency. Furthermore, since self-discharge of the positive electrode also occurs during the hydrogen gas treatment process, overcharging of the positive electrode can also be suppressed. Furthermore, because the gas processing structure 5 is electrically connected to the positive electrode 10 via the resistor 9, the current flowing through the gas processing structure 5 can be controlled to a constant level. This prevents excessive self-discharge of the positive electrode, thereby preventing overdischarge of the positive electrode.
図1~図3では、ガス処理構造体5を電極群4上に配置したが、ガス処理構造体5の配置はこれに限定されるものではない。例えば図4に示す通り、電極群4の短辺方向(図1のx軸方向)にガス処理構造体5を並べて配置しても良い。この際、電極群4とガス処理構造体5の間に間隔を設けても良い。また、実施形態は、この配置に限らず、電極群4の長辺方向(図1のy軸方向)にガス処理構造体5を並べて配置しても良い。 In Figures 1 to 3, the gas processing structure 5 is arranged on the electrode group 4, but the arrangement of the gas processing structure 5 is not limited to this. For example, as shown in Figure 4, the gas processing structures 5 may be arranged side by side in the direction of the short sides of the electrode group 4 (the x-axis direction in Figure 1). In this case, a gap may be provided between the electrode group 4 and the gas processing structure 5. Furthermore, the embodiment is not limited to this arrangement, and the gas processing structures 5 may be arranged side by side in the direction of the long sides of the electrode group 4 (the y-axis direction in Figure 1).
図1~図4では、ガス処理構造体5を、抵抗器9を介して正極10と電気的に接続したが、これに限定されるものではない。抵抗器の代わりにスイッチング素子を使用することができる。この例を図5を参照して説明する。図5は、ガス処理構造体5と正極10とを含む部分の電気回路を示す回路図である。トランジスタなどのスイッチング素子21は、配線8aによりガス処理構造体5と電気的に接続されている。また、スイッチング素子21は、配線8bにより正極10と電気的に接続されており、かつ配線8cを介してガス処理構造体5と正極10間に所定の電圧が印加されたことを信号として受け取る構成になっている。以上の構成によれば、正極10の充電が進んで正極電位が高くなる(正極電位が貴側にシフトする)ことにより、正極10とガス処理構造体5との電位差が大きくなり、ガス処理構造体5と正極10間に所定の電圧が印加された際、それが電気信号として配線8cを介してスイッチング素子21に送信される。その結果、スイッチング素子21は、ガス処理構造体5と正極10間の導通をオンにするため、ガス処理構造体5と正極10間に電流が流れる。これにより、ガス処理構造体5は、(A)式に従って水素ガスの処理を行うことができる。ガス処理構造体5と正極10間の電圧印加を解除すると、それが電気信号として配線8cを介してスイッチング素子21に送信される。その結果、スイッチング素子21は、ガス処理構造体5と正極10間の導通をオフにするため、ガス処理構造体5と正極10間が電気的に絶縁される。これにより、ガス処理構造体5による水素ガスの処理を停止することができる。従って、正極10の充電が進行して二次電池の内圧が高くなった際にガス処理構造体5に必要な電流が流れてガス処理を行うことができる。 1 to 4, the gas processing structure 5 is electrically connected to the positive electrode 10 via a resistor 9, but this is not limited to this. A switching element can be used instead of a resistor. This example will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 is a circuit diagram showing an electrical circuit including the gas processing structure 5 and the positive electrode 10. A switching element 21, such as a transistor, is electrically connected to the gas processing structure 5 via wiring 8a. The switching element 21 is also electrically connected to the positive electrode 10 via wiring 8b, and is configured to receive a signal via wiring 8c indicating that a predetermined voltage has been applied between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10. With this configuration, as the charging of the positive electrode 10 progresses and the positive electrode potential increases (the positive electrode potential shifts to the noble side), the potential difference between the positive electrode 10 and the gas processing structure 5 increases. When a predetermined voltage is applied between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10, this is transmitted as an electrical signal to the switching element 21 via wiring 8c. As a result, the switching element 21 turns on the conduction between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10, causing a current to flow between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10. This allows the gas processing structure 5 to process hydrogen gas according to formula (A). When the voltage application between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10 is released, this is transmitted as an electrical signal to the switching element 21 via the wiring 8c. As a result, the switching element 21 turns off the conduction between the gas processing structure 5 and the positive electrode 10, thereby electrically insulating the gas processing structure 5 from the positive electrode 10. This allows the gas processing structure 5 to stop processing hydrogen gas. Therefore, when charging of the positive electrode 10 progresses and the internal pressure of the secondary battery increases, the necessary current flows through the gas processing structure 5, allowing gas processing to be performed.
実施形態の二次電池では、ガス処理構造体5を正極10と抵抗器またはスイッチング素子を介さずに直接電気的に接続しても良い。一例として、ガス処理構造体5の多孔質基板13と正極10とを物理的に直接接触させても良いし、ガス処理構造体5の多孔質基板13と正極10とを配線などにより電気的に接続しても良い。 In the secondary battery of this embodiment, the gas processing structure 5 may be electrically connected directly to the positive electrode 10 without a resistor or switching element. As an example, the porous substrate 13 of the gas processing structure 5 may be in direct physical contact with the positive electrode 10, or the porous substrate 13 of the gas processing structure 5 may be electrically connected to the positive electrode 10 via wiring or the like.
図1~図4では、導電性の多孔質基板13と、ガス処理層14とからガス処理構造体5を構成したが、ガス処理構造体5はこれに限定されるものではない。ガス処理構造体の処理能力を高めるため、導電性の多孔質基板13とガス処理層14を複数備えたものをガス処理構造体5としても良い。この例を図6に示す。図6に示す通り、ガス処理構造体5は、正極端子6と電気的に接続された抵抗器9に導電部材22によって電気的に接続されている。ガス処理構造体5は、複数の導電性の多孔質基板13と、複数のガス処理層14と、複数の電解質層23とを含む。多孔質基板13それぞれの上にガス処理層14が配置されている。各ガス処理層14上に電解質層23が配置されている。電解質層23は、水系電解質を含む。ガス処理構造体5は、電解質層23が形成されている面が同じ方向を向くように配置されている。導電部材22は、例えばTi板からなる第1導電板22aと、第1導電板22aの一方の面から突出した複数の第2導電板22bを含む。第1導電板22aの他方の面に抵抗器9が電気的に接続されている。複数の第2導電板22bは、例えばTi箔からなり、第1導電板22aの一方の面に互いから間隔を開けて設けられている。第2導電板22bは、それぞれ、ガス処理構造体5の多孔質基板13と接している。以上説明したガス処理構造体5は、水素ガスとの接触面積を多くすることができるため、処理能力を高めることができる。また、電解質層23は、(A)の反応式で生成した水分子を保持することができるため、多孔質基板13の含水率を低い値に維持することができる。その結果、多孔質基板13からガス処理層14への水素ガスの供給を円滑に生じさせることができる。また、電解質層23は、(A)の反応式のOH-をガス処理層14に供給することができる。これらの結果、ガス処理構造体5の水素ガス処理能力を高めることができる。 1 to 4 , the gas processing structure 5 is configured from a conductive porous substrate 13 and a gas processing layer 14, but the gas processing structure 5 is not limited to this. To increase the processing capacity of the gas processing structure, the gas processing structure 5 may include a plurality of conductive porous substrates 13 and gas processing layers 14. An example of this is shown in FIG. 6 . As shown in FIG. 6 , the gas processing structure 5 is electrically connected by a conductive member 22 to a resistor 9 that is electrically connected to a positive electrode terminal 6. The gas processing structure 5 includes a plurality of conductive porous substrates 13, a plurality of gas processing layers 14, and a plurality of electrolyte layers 23. A gas processing layer 14 is disposed on each of the porous substrates 13. An electrolyte layer 23 is disposed on each of the gas processing layers 14. The electrolyte layers 23 contain an aqueous electrolyte. The gas processing structures 5 are arranged so that the surfaces on which the electrolyte layers 23 are formed face in the same direction. The conductive member 22 includes a first conductive plate 22a, e.g., a Ti plate, and multiple second conductive plates 22b protruding from one side of the first conductive plate 22a. A resistor 9 is electrically connected to the other side of the first conductive plate 22a. The multiple second conductive plates 22b are made of, e.g., Ti foil and are spaced apart from one another on one side of the first conductive plate 22a. Each of the second conductive plates 22b contacts the porous substrate 13 of the gas-processing structure 5. The gas-processing structure 5 described above can increase the contact area with hydrogen gas, thereby improving processing capacity. Furthermore, the electrolyte layer 23 can retain water molecules generated by reaction formula (A), thereby maintaining a low water content in the porous substrate 13. As a result, hydrogen gas can be smoothly supplied from the porous substrate 13 to the gas-processing layer 14. Furthermore, the electrolyte layer 23 can supply OH − of reaction formula (A) to the gas-processing layer 14. As a result, the hydrogen gas processing capacity of the gas processing structure 5 can be improved.
電解質層23は、水系電解質を含むものであれば特に限定されるものではないが、例えば、水系電解質を含むゲル状電解質層、水系電解質が保持された多孔質膜などを挙げることができる。水系電解質は、二次電池に含まれる水系電解質と同じ組成でも、異なっていても良い。 The electrolyte layer 23 is not particularly limited as long as it contains an aqueous electrolyte, but examples include a gel electrolyte layer containing an aqueous electrolyte and a porous membrane retaining an aqueous electrolyte. The aqueous electrolyte may have the same composition as the aqueous electrolyte contained in the secondary battery, or it may be different.
図1~図4では、導電性の多孔質基板13と、ガス処理層14とからガス処理構造体5を構成したが、ガス処理構造体5はこれに限定されるものではない。ガス処理構造体5は、ガス流路を有する層をさらに備えるものであっても良い。この例を図7を参照して説明する。ガス処理構造体5は、導電性の多孔質基板13の他方の主面に担持されたガス流路24を有する層25をさらに含む。ガス流路24は、層25の表面に形成された凹部である。ガス流路24の数は、1または複数にすることができる。図7では、複数のガス流路24が、層25の表面に一方向26(x方向またはy方向)に沿って所定の間隔を開けて設けられている。ガス流路を有する層を設けることにより、電極群から発生したガスのガス処理層14への供給をより円滑に行うことができる。ガス流路を有する層として、例えば、凹部を有するフッ素樹脂シートを挙げることができる。フッ素樹脂の例として、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)などを挙げることができる。 1 to 4, the gas processing structure 5 is configured from a conductive porous substrate 13 and a gas processing layer 14. However, the gas processing structure 5 is not limited to this. The gas processing structure 5 may further include a layer having gas flow channels. This example is described with reference to FIG. 7. The gas processing structure 5 further includes a layer 25 having gas flow channels 24 supported on the other main surface of the conductive porous substrate 13. The gas flow channels 24 are recesses formed in the surface of the layer 25. The number of gas flow channels 24 can be one or more. In FIG. 7, multiple gas flow channels 24 are provided on the surface of the layer 25 along one direction 26 (the x direction or the y direction) at predetermined intervals. The provision of a layer having gas flow channels allows for smoother supply of gas generated from the electrode group to the gas processing layer 14. An example of a layer having gas flow channels is a fluororesin sheet having recesses. An example of a fluororesin is polytetrafluoroethylene (PTFE).
図1~図4では、電極群4の正極端子6が延出している方向と、負極端子7が延出している方向が互いに反対向きの例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば図8に示す通り、正極端子6が延出している方向と、負極端子7が延出している方向が同じ向きであっていても良い。電極群4のある一つの端面から正極端子6と負極端子7が同じ向きに延出されている。正極端子6と負極端子7は、互いから間隔を開けて配置されている。正極端子6と負極端子7との間に存在する空間に、ガス処理構造体5が配置されている。ガス処理構造体5は、抵抗器9を介して正極端子6と電気的に接続されている。この二次電池によると、正極端子6と負極端子7との間に存在するデッドスペースを有効活用することができる。また、ガス処理構造体5が完全に水系電解質に含浸することを避けることができるため、ガス処理構造体5へのガス供給を円滑に行うことができる。 1 to 4 illustrate an example in which the positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7 of the electrode group 4 extend in opposite directions, but this is not limiting. For example, as shown in FIG. 8, the positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7 may extend in the same direction. The positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7 extend in the same direction from one end face of the electrode group 4. The positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7 are spaced apart from each other. A gas processing structure 5 is disposed in the space between the positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7. The gas processing structure 5 is electrically connected to the positive electrode terminal 6 via a resistor 9. This secondary battery makes effective use of the dead space between the positive electrode terminal 6 and the negative electrode terminal 7. Furthermore, complete immersion of the gas processing structure 5 in the aqueous electrolyte can be prevented, allowing for smooth gas supply to the gas processing structure 5.
以下、実施形態の二次電池に含まれるガス処理構造体、正極、負極、水系電解質、セパレータ、外装部材、正極端子、負極端子について説明する。
(ガス処理構造体)
ガス処理構造体は、導電性の多孔質基板と、ガス処理層とを含む。ガス処理層は、導電性多孔質基板の少なくとも一方の面(例えば主面)に配置される。水素ガスを酸化反応によって処理する反応では、(A)に例示される通り、水が生成する。導電性多孔質基板の片面のみにガス処理層を配置することにより、導電性多孔質基板が水に濡れるのを抑制することができるため、導電性多孔質基板からガス処理層へのガス供給を円滑に行うことができる。
The gas processing structure, positive electrode, negative electrode, aqueous electrolyte, separator, exterior member, positive electrode terminal, and negative electrode terminal included in the secondary battery of the embodiment will be described below.
(Gas Processing Structure)
The gas processing structure includes a conductive porous substrate and a gas processing layer. The gas processing layer is disposed on at least one surface (e.g., the main surface) of the conductive porous substrate. In the reaction of processing hydrogen gas by oxidation, water is produced, as illustrated in (A). By disposing the gas processing layer on only one surface of the conductive porous substrate, it is possible to prevent the conductive porous substrate from becoming wet with water, thereby enabling smooth gas supply from the conductive porous substrate to the gas processing layer.
導電性多孔質基板には、導電性のガス拡散層(gas diffusion layer(GDL))を用いることが望ましい。導電性のガス拡散層として、例えば、カーボンペーパなどを挙げることができる。 It is desirable to use a conductive gas diffusion layer (GDL) for the conductive porous substrate. An example of a conductive gas diffusion layer is carbon paper.
ガス処理層は、水素吸蔵合金あるいは貴金属触媒の少なくとも一方を含む。ガス処理層は、正極と導通させることにより水素ガスを処理することが可能なものである。水素吸蔵合金は、水素を吸蔵可能なものであれば、特に限定されるものではない。水素吸蔵合金として、例えば、LaNi4.7Al0.3などのLaNi5系を挙げることができる。 The gas treatment layer contains at least one of a hydrogen storage alloy and a precious metal catalyst. The gas treatment layer is capable of treating hydrogen gas by being electrically connected to the positive electrode. The hydrogen storage alloy is not particularly limited as long as it can store hydrogen. Examples of hydrogen storage alloys include LaNi5- based alloys such as LaNi4.7Al0.3 .
水素吸蔵合金を含むガス処理層による水素吸蔵反応の例を下記反応式(D)に示す。 An example of the hydrogen storage reaction in a gas treatment layer containing a hydrogen storage alloy is shown in reaction formula (D) below.
反応式(D)は、E0が-0.83Vの電位で生じ得る。また、水素吸蔵合金を含むガス処理層と、正極活物質としてLiMn2O4を含む正極との反応式を下記(E)に示す。 Reaction formula (D) can occur when E0 is a potential of −0.83 V. The reaction formula (E) below shows the reaction between the gas treatment layer containing a hydrogen storage alloy and the positive electrode containing LiMn 2 O 4 as the positive electrode active material.
反応式(E)の起電力Eは、1.78Vである。 The electromotive force E of reaction equation (E) is 1.78 V.
貴金属触媒は、H2の酸化反応を促進するものであれば特に限定されるものではない。貴金属触媒の例として、カーボン材料に担持された白金触媒(Pt/C)を挙げることができる。 The noble metal catalyst is not particularly limited as long as it promotes the oxidation reaction of H 2. An example of the noble metal catalyst is a platinum catalyst supported on a carbon material (Pt/C).
貴金属触媒を含むガス処理層は、例えば、貴金属触媒及び結着剤を溶媒に分散させてペーストを調製し、得られたペーストを導電性多孔質基板に塗布し、乾燥させることにより得られる。結着剤の例として、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー、フッ素系イオン交換膜を挙げることができる。結着剤の種類は1種類又は2種類以上にすることができる。溶媒には、例えばN-メチルピロリドン(N-methyl pyrrolidone;NMP)などの有機溶媒を挙げることができる。
(正極)
正極は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一方の面に担持される正極合材層(正極活物質含有層)とを含む。
A gas processing layer containing a precious metal catalyst can be obtained, for example, by dispersing the precious metal catalyst and a binder in a solvent to prepare a paste, applying the resulting paste to a conductive porous substrate, and drying it. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), perfluoroalkylsulfonic acid polymers, and fluorine-based ion exchange membranes. One or more types of binders can be used. Examples of solvents include organic solvents such as N-methylpyrrolidone (NMP).
(positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer (positive electrode active material-containing layer) carried on at least one surface of the positive electrode current collector.
正極合材層は、集電体の片面又は両面に形成され得る。正極合材層は、正極活物質と、任意に導電材及び結着剤を含むことができる。 The positive electrode mixture layer can be formed on one or both sides of the current collector. The positive electrode mixture layer can contain a positive electrode active material and, optionally, a conductive material and a binder.
正極活物質としては、例えば、酸化物又は硫化物を用いることができる。正極は、正極活物質として、1種類の化合物を単独で含んでいてもよく、或いは2種類以上の化合物を組み合わせて含んでいてもよい。酸化物及び硫化物の例には、Li又はLiイオンを挿入及び脱離させることができる化合物を挙げることができる。 For example, oxides or sulfides can be used as the positive electrode active material. The positive electrode may contain one type of compound alone as the positive electrode active material, or may contain a combination of two or more types of compounds. Examples of oxides and sulfides include compounds that can insert and extract Li or Li ions.
このような化合物としては、例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4又はLixMnO2;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4;0<x≦1、0<y<2)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えばLixFePO4;0<x≦1、LixFe1-yMnyPO4;0<x≦1、0<y<1、LixCoPO4;0<x≦1)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnzO2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。 Examples of such compounds include manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese composite oxides (e.g., Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel composite oxides (e.g., Li x NiO 2 ; 0<x≦1), lithium cobalt composite oxides (e.g., Li x CoO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel cobalt composite oxides (e.g., Li x Ni 1-y Co y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium manganese cobalt composite oxides (e.g., Li x Mn y Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), and lithium manganese nickel composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4 ; 0<x≦1, 0<y< 2 ), lithium phosphate oxides having an olivine structure (e.g., LixFePO4 ; 0<x≦1 , LixFe1-yMnyPO4 ; 0<x≦1, 0 <y< 1 , LixCoPO4 ; 0<x≦1), iron sulfate ( Fe2 ( SO4 ) 3 ), vanadium oxides (e.g., V2O5 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxides ( LixNi1- yzCoyMnzO2 ; 0<x≦1, 0<y< 1 , 0 <z<1, y+z<1).
上記のうち、正極活物質としてより好ましい化合物の例には、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4;0<x≦1)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2;0<x≦1)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLixCoO2;0<x≦1)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2;0<x≦1、0<y<1)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4;0<x≦1、0<y<2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2;0<x≦1、0<y<1)、リチウムリン酸鉄(例えばLixFePO4;0<x≦1)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi1-y-zCoyMnzO2;0<x≦1、0<y<1、0<z<1、y+z<1)が含まれる。これらの化合物を正極活物質に用いると、正極電位を高めることができる。 Among the above, examples of more preferred compounds as the positive electrode active material include lithium manganese composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2 O 4 ; 0<x≦1), lithium nickel composite oxides (e.g., Li x NiO 2 ; 0<x≦1), lithium cobalt composite oxides (e.g., Li x CoO 2 ; 0<x≦1), lithium nickel cobalt composite oxides (e.g., Li x Ni 1-y Co y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), lithium manganese nickel composite oxides having a spinel structure (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4 ; 0<x≦1, 0<y<2), lithium manganese cobalt composite oxides (e.g., Li x Mn y Co 1-y O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1), and lithium iron phosphate (e.g., Li x FePO 4 ; 0<x≦1) and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (Li x Ni 1-yz Co y Mn z O 2 ; 0<x≦1, 0<y<1, 0<z<1, y+z<1). When these compounds are used as the positive electrode active material, the positive electrode potential can be increased.
電池の電解質として常温溶融塩を用いる場合、リチウムリン酸鉄、LixVPO4F(0≦x≦1)、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、又はこれらの混合物を含む正極活物質を用いることが好ましい。 When a room temperature molten salt is used as the battery electrolyte, it is preferable to use a positive electrode active material containing lithium iron phosphate, Li x VPO 4 F (0≦x≦1), lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, or a mixture thereof.
正極活物質の一次粒径は、100nm以上1μm以下であることが好ましい。一次粒径が100nm以上の正極活物質は、工業生産上の取り扱いが容易である。一次粒径が1μm以下の正極活物質は、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることが可能である。 The primary particle size of the positive electrode active material is preferably 100 nm or more and 1 μm or less. Positive electrode active materials with a primary particle size of 100 nm or more are easy to handle in industrial production. Positive electrode active materials with a primary particle size of 1 μm or less allow lithium ions to diffuse smoothly within the solid.
正極活物質の比表面積は、0.1m2/g以上10m2/g以下であることが好ましい。0.1m2/g以上の比表面積を有する正極活物質は、Liイオンの吸蔵・放出サイトを十分に確保できる。10m2/g以下の比表面積を有する正極活物質は、工業生産の上で取り扱い易く、かつ良好な充放電サイクル性能を確保できる。 The specific surface area of the positive electrode active material is preferably 0.1 m /g or more and 10 m /g or less. A positive electrode active material having a specific surface area of 0.1 m/g or more can ensure sufficient sites for occlusion and desorption of Li ions. A positive electrode active material having a specific surface area of 10 m /g or less is easy to handle in industrial production and can ensure good charge-discharge cycle performance.
結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、また、正極活物質と正極集電体とを結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、フッ素系ゴム、ポリアクリル酸化合物、イミド化合物、カルボキシメチルセルロース(carboxymethyl cellulose;CMC)、及びCMCの塩が含まれる。これらの1つを結着剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて結着剤として用いてもよい。 The binder is added to fill the gaps between the dispersed positive electrode active material and to bind the positive electrode active material to the positive electrode current collector. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-containing rubber, polyacrylic acid compounds, imide compounds, carboxymethyl cellulose (CMC), and salts of CMC. One of these may be used as the binder, or two or more may be used in combination as binders.
導電材は、集電性能を高め、且つ、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電材の例には、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブのような炭素質物が含まれる。これらの1つを導電材として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて導電材として用いてもよい。また、導電材を省略することもできる。 The conductive material is blended to improve current collection performance and reduce contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Examples of conductive materials include vapor-grown carbon fiber (VGCF), carbon black such as acetylene black, graphite, carbonaceous materials such as carbon nanofibers and carbon nanotubes. One of these may be used as the conductive material, or two or more may be combined and used as the conductive material. The conductive material may also be omitted.
正極合材層において、正極活物質及び結着剤は、それぞれ、80質量%以上98質量%以下、及び2質量%以上20質量%以下の割合で配合することが好ましい。 In the positive electrode mixture layer, the positive electrode active material and binder are preferably blended in proportions of 80% by mass or more and 98% by mass or less, and 2% by mass or more and 20% by mass or less, respectively.
結着剤の量を2質量%以上にすることにより、十分な電極強度が得られる。また、結着剤は、絶縁体として機能し得る。そのため、結着剤の量を20質量%以下にすると、電極に含まれる絶縁体の量が減るため、内部抵抗を減少できる。 By using a binder amount of 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be achieved. The binder can also function as an insulator. Therefore, by using a binder amount of 20% by mass or less, the amount of insulator contained in the electrode is reduced, thereby reducing internal resistance.
導電材を加える場合には、正極活物質、結着剤及び導電材は、それぞれ、77質量%以上95質量%以下、2質量%以上20質量%以下、及び3質量%以上15質量%以下の割合で配合することが好ましい。 When a conductive material is added, the positive electrode active material, binder, and conductive material are preferably blended in proportions of 77% by mass or more and 95% by mass or less, 2% by mass or more and 20% by mass or less, and 3% by mass or more and 15% by mass or less, respectively.
導電材の量を3質量%以上にすることにより、上述した効果を発揮することができる。また、導電材の量を15質量%以下にすることにより、電解質と接触する導電材の割合を低くすることができる。この割合が低いと、高温保存下において、電解質の分解を低減することができる。
正極の集電体には、例えば、活物質にリチウム(Li)が挿入及び脱離される電位において電気化学的に安定である材料が用いられる。例えば、正極集電体は、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金(例えばMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金)、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される一以上の元素を含む金属箔であり得る。正極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。このような厚さを有する集電体は、電極の強度と軽量化のバランスをとることができる。
By setting the amount of conductive material to 3% by mass or more, the above-mentioned effects can be achieved. Furthermore, by setting the amount of conductive material to 15% by mass or less, the proportion of conductive material in contact with the electrolyte can be reduced. This low proportion can reduce decomposition of the electrolyte during high-temperature storage.
The positive electrode current collector is made of, for example, a material that is electrochemically stable at the potential at which lithium (Li) is inserted and extracted from the active material. For example, the positive electrode current collector can be nickel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy (e.g., an aluminum alloy containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si), or a metal foil containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The thickness of the positive electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A current collector having such a thickness can balance the strength and weight of the electrode.
集電体は、その表面に合材層が形成されていない部分を含むことができる。この部分は、集電タブまたは集電リードとして働くことができる。
(負極)
負極は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の面に担持される負極合材層(負極活物質含有層)とを含む。
The current collector may include a portion on the surface of which no composite layer is formed, and this portion may function as a current collecting tab or a current collecting lead.
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer (negative electrode active material-containing layer) carried on at least one surface of the negative electrode current collector.
負極合材層は、負極集電体の片面又は両面に形成され得る。負極合材層は、負極活物質と、任意に導電材及び結着剤を含むことができる。 The negative electrode mixture layer can be formed on one or both sides of the negative electrode current collector. The negative electrode mixture layer can contain a negative electrode active material and, optionally, a conductive material and a binder.
負極活物質としては、例えば、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2+yTi3O7、0≦y≦3)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えば、Li4+xTi5O12、0≦x≦3)、単斜晶型二酸化チタン(TiO2(B))、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、五酸化ニオブ(Nb2O5)、ホランダイト型チタン複合酸化物、直方晶型(orthorhombic)チタン含有複合酸化物、及び単斜晶型ニオブチタン複合酸化物を挙げることができる。 Examples of negative electrode active materials include lithium titanate having a ramsdellite structure (e.g., Li2 + yTi3O7 , 0≦y≦3), lithium titanate having a spinel structure (e.g., Li4 + xTi5O12 , 0 ≦ x≦3), monoclinic titanium dioxide ( TiO2 (B)), anatase titanium dioxide, rutile titanium dioxide, niobium pentoxide ( Nb2O5 ), hollandite titanium composite oxide, orthorhombic titanium-containing composite oxide, and monoclinic niobium titanium composite oxide.
直方晶型チタン含有複合酸化物の例として、Li2+aM(I)2-bTi6-cM(II)dO14+σで表される化合物が挙げられる。ここで、M(I)は、Sr,Ba,Ca,Mg,Na,Cs,Rb及びKからなる群より選択される少なくとも1つである。M(II)はZr,Sn,V,Nb,Ta,Mo,W,Y,Fe,Co,Cr,Mn,Ni,及びAlからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦a≦6、0≦b<2、0≦c<6、0≦d<6、-0.5≦σ≦0.5である。直方晶型チタン含有複合酸化物の具体例として、Li2+aNa2Ti6O14(0≦a≦6)が挙げられる。 An example of an orthorhombic titanium-containing composite oxide is a compound represented by Li2 + aM(I) 2- bTi6-cM (II) dO14 +σ . Here, M(I) is at least one selected from the group consisting of Sr, Ba, Ca, Mg, Na, Cs, Rb, and K. M(II) is at least one selected from the group consisting of Zr, Sn, V, Nb, Ta, Mo, W, Y, Fe, Co, Cr, Mn, Ni, and Al. The subscripts in the composition formula are 0≦a≦6, 0≦b<2, 0≦c<6, 0≦d<6, and -0.5 ≦σ≦0.5. A specific example of an orthorhombic titanium-containing composite oxide is Li2+aNa2Ti6O14 ( 0 ≦ a≦6).
上記単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の例として、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7+δで表される化合物が挙げられる。ここで、M1は、Zr,Si,及びSnからなる群より選択される少なくとも1つである。M2は、V,Ta,及びBiからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の具体例として、LixNb2TiO7(0≦x≦5)が挙げられる。 An example of the monoclinic niobium titanium composite oxide is a compound represented by Li x Ti 1-y M1 y Nb 2-z M2 z O 7+δ . Here, M1 is at least one selected from the group consisting of Zr, Si, and Sn. M2 is at least one selected from the group consisting of V, Ta, and Bi. The subscripts in the composition formula are 0≦x≦5, 0≦y<1, 0≦z<2, and −0.3≦δ≦0.3. A specific example of the monoclinic niobium titanium composite oxide is Li x Nb 2 TiO 7 (0≦x≦5).
単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の他の例として、LixTi1-yM3y+zNb2-zO7-δで表される化合物が挙げられる。ここで、M3は、Mg,Fe,Ni,Co,W,Ta,及びMoより選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。 Another example of a monoclinic niobium titanium composite oxide is a compound represented by Li x Ti 1-y M3 y+z Nb 2-z O 7-δ , where M3 is at least one selected from Mg, Fe, Ni, Co, W, Ta, and Mo. The subscripts in the composition formula are 0≦x≦5, 0≦y<1, 0≦z<2, and −0.3≦δ≦0.3.
導電材は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電材の例には、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブのような炭素質物が含まれる。これらの1つを導電材として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて導電材として用いてもよい。あるいは、導電材を用いる代わりに、活物質粒子の表面に、炭素コートや電子導電性無機材料コートを施してもよい。 Conductive materials are added to improve current collection performance and reduce contact resistance between the active material and the current collector. Examples of conductive materials include carbonaceous materials such as vapor-grown carbon fiber (VGCF), carbon black such as acetylene black, graphite, carbon nanofibers, and carbon nanotubes. One of these may be used as the conductive material, or two or more may be combined. Alternatively, instead of using a conductive material, the surfaces of the active material particles may be coated with carbon or an electronically conductive inorganic material.
結着剤は、分散された活物質の間隙を埋め、また、活物質と負極集電体を結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴム(styrene-butadiene rubber;SBR)、ポリアクリル酸化合物、イミド化合物、カルボキシメチルセルロース(carboxymethyl cellulose;CMC)、及びCMCの塩が含まれる。これらの1つを結着剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて結着剤として用いてもよい。 The binder is added to fill the gaps between the dispersed active material and to bind the active material and the negative electrode current collector. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid compounds, imide compounds, carboxymethyl cellulose (CMC), and CMC salts. One of these may be used as the binder, or two or more may be used in combination.
負極合材層中の負極活物質、導電材及び結着剤の配合割合は、負極の用途に応じて適宜変更することができる。例えば、負極活物質、導電材及び結着剤を、それぞれ、68質量%以上96質量%以下、2質量%以上30質量%以下及び2質量%以上30質量%以下の割合で配合することが好ましい。導電材の量を2質量%以上とすることにより、負極合材層の集電性能を向上させることができる。また、結着剤の量を2質量%以上とすることにより、負極合材層と集電体との結着性が十分となり、優れたサイクル性能を期待できる。一方、導電材及び結着剤はそれぞれ30質量%以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。
負極の集電体として、例えば、活物質にリチウム(Li)が挿入及び脱離される電位において電気化学的に安定である材料が用いられる。例えば、負極集電体は、銅、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、或いは、アルミニウム合金(例えばMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金)、Zn箔から作られることが好ましい。Zn箔の表面が炭素含有層で被覆されていても良い。負極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。このような厚さを有する集電体は、電極の強度と軽量化のバランスをとることができる。
The blending ratios of the negative electrode active material, conductive material, and binder in the negative electrode mixture layer can be appropriately changed depending on the application of the negative electrode. For example, the negative electrode active material, conductive material, and binder are preferably blended in ratios of 68% by mass or more and 96% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, and 2% by mass or more and 30% by mass or less, respectively. By setting the amount of conductive material to 2% by mass or more, the current collection performance of the negative electrode mixture layer can be improved. Furthermore, by setting the amount of binder to 2% by mass or more, sufficient binding between the negative electrode mixture layer and the current collector can be achieved, and excellent cycle performance can be expected. On the other hand, it is preferable to set the amount of conductive material and binder to 30% by mass or less each in order to achieve high capacity.
The negative electrode current collector is preferably made of, for example, a material that is electrochemically stable at the potential at which lithium (Li) is inserted into and extracted from the active material. For example, the negative electrode current collector is preferably made of copper, nickel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy (e.g., an aluminum alloy containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si), or Zn foil. The surface of the Zn foil may be coated with a carbon-containing layer. The thickness of the negative electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A current collector having such a thickness can balance the strength and weight of the electrode.
集電体は、その表面に合材層が形成されていない部分を含むことができる。この部分は、集電タブまたは集電リードとして働くことができる。 The current collector may include a portion on whose surface no composite layer is formed. This portion can function as a current collecting tab or current collecting lead.
(水系電解質)
水系電解質の溶媒は水を含む溶媒であり、水単独、又は、水と水以外の溶媒からなり得る。水以外の溶媒として、水溶性の有機溶媒が挙げられる。水溶性の有機溶媒には、γ-ブチロラクトン、アセトニトリル、アルコール類、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、及び、テトラヒドロフラン等が挙げられる。電解質の水系溶媒に含まれる溶媒の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。電解質の水系溶媒では、水以外の溶媒の含有量は、20重量%以下にすることが望ましい。
(aqueous electrolyte)
The solvent for the aqueous electrolyte is a solvent containing water, and may consist of water alone or water and a solvent other than water. Examples of the solvent other than water include water-soluble organic solvents. Examples of water-soluble organic solvents include γ-butyrolactone, acetonitrile, alcohols, N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, and tetrahydrofuran. The type of solvent contained in the aqueous solvent for the electrolyte may be one or more types. In the aqueous solvent for the electrolyte, the content of the solvent other than water is preferably 20 wt % or less.
水系電解質に水が含まれていることは、GC-MS(ガスクロマトグラフィー-重量分析;Gas Chromatography-Mass Spectrometry)測定により確認できる。また、水系電解質中の塩濃度および水含有量は、例えばICP(誘導結合プラズマ;Inductively Coupled Plasma)発光分析などで測定することができる。水系電解質を規定量はかり取り、含まれる塩濃度を算出することで、モル濃度(mol/L)を算出できる。また水系電解質の比重を測定することで、溶質と溶媒のモル数を算出できる。 The presence of water in aqueous electrolytes can be confirmed by GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry). Furthermore, the salt concentration and water content in aqueous electrolytes can be measured, for example, using ICP (Inductively Coupled Plasma) optical emission spectrometry. The molar concentration (mol/L) can be calculated by weighing a specified amount of aqueous electrolyte and calculating the salt concentration. Furthermore, the number of moles of solute and solvent can be calculated by measuring the specific gravity of the aqueous electrolyte.
水系電解質に含まれるアルカリ金属塩は、例えば、Li、Na及びKより成る群から選択される1種又は2種以上のアルカリ金属塩である。Li、Na及びKのそれぞれは、イオン伝導性に優れているため、水系電解質のイオン伝導性を高くすることができる。水系電解質のアルカリ金属塩の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。なお、アルカリ金属塩を水系溶媒に溶解することで、Li+がアルカリ金属イオンとして得られることが、より好ましい。このため、水系電解質のアルカリ金属塩としては、リチウム塩が用いられることが、より好ましい。
水系電解質において、水系溶媒中のアルカリ金属イオンの濃度は、1mol/L以上12mol/L以下であることが好ましい。アルカリ金属イオンの濃度を高くすることにより、水系電解質中のフリーな水分子が減少し、水素発生を抑制することができる。なお、水系溶媒中のアルカリ金属イオンの濃度は、前述の範囲内においても、4mol/L以上であることが好ましく、5mol/L以上であることがより好ましい。また、水系溶媒中のアルカリ金属イオンの濃度は、前述の範囲内においても、10mol/L以下であることが好ましい。
水系電解質のアルカリ金属塩は、例えば、リチウム塩である。リチウム塩としては、例えば、LiCl、LiBr、LiOH、Li2SO4、LiNO3、Li2C2O4、Li2CO3、Li[(FSO2)2N]、Li[(CF3SO2)2N]及びLiB[(OCO)2]2等が挙げられる。使用するリチウム塩の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。使用するリチウム塩としては、LiCl、LiOH、Li[(FSO2)2N]又はLi[(CF3SO2)2N]を含むリチウム塩が好ましい。
The alkali metal salt contained in the aqueous electrolyte is, for example, one or more alkali metal salts selected from the group consisting of Li, Na, and K. Li, Na, and K each have excellent ionic conductivity, and therefore can increase the ionic conductivity of the aqueous electrolyte. The type of alkali metal salt in the aqueous electrolyte can be one or more types. It is more preferable that Li + is obtained as the alkali metal ion by dissolving the alkali metal salt in an aqueous solvent. For this reason, it is more preferable to use a lithium salt as the alkali metal salt in the aqueous electrolyte.
In the aqueous electrolyte, the concentration of alkali metal ions in the aqueous solvent is preferably 1 mol/L or more and 12 mol/L or less. By increasing the concentration of alkali metal ions, the number of free water molecules in the aqueous electrolyte is reduced, and hydrogen generation can be suppressed. Furthermore, even within the above-mentioned range, the concentration of alkali metal ions in the aqueous solvent is preferably 4 mol/L or more, and more preferably 5 mol/L or more. Furthermore, even within the above-mentioned range, the concentration of alkali metal ions in the aqueous solvent is preferably 10 mol/L or less.
The alkali metal salt of the aqueous electrolyte is, for example, a lithium salt. Examples of lithium salts include LiCl, LiBr, LiOH, Li2SO4 , LiNO3 , Li2C2O4 , Li2CO3 , Li[( FSO2 ) 2N ], Li[( CF3SO2 ) 2N ] , and LiB[(OCO) 2 ] 2 . One or more types of lithium salts may be used. The lithium salt used is preferably a lithium salt containing LiCl, LiOH, Li [( FSO2 ) 2N ], or Li[( CF3SO2 ) 2N ].
水系電解質のアルカリ金属塩の陰イオンは、例えば、Cl-、Br-、OH-、SO4 2-、NO3 -、C2O4 2-、CO3 2-、[(FSO2)2N]-、[(CF3SO2)2N]-及びB[(OCO)2]2-より成る群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含む。特に、陰イオンは、Cl-、OH-、[(FSO2)2N]-及び[(CF3SO2)2N]-より成る群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含むことが好ましい。これにより、アルカリ金属イオンの濃度を高くすることができるため、負極での水素発生を抑制することができる。これにより、電池の充放電効率(クーロン効率)が高くなり、保存性能及びサイクル寿命性能が大幅に向上する。 The anion of the alkali metal salt in the aqueous electrolyte may include, for example, one or more ions selected from the group consisting of Cl-, Br-, OH-, SO42- , NO3- , C2O42- , CO32- , [ ( FSO2 ) 2N ] - , [( CF3SO2 ) 2N ] -, and B[(OCO) 2 ] 2- . In particular, the anion preferably includes one or more ions selected from the group consisting of Cl- , OH- , [( FSO2 ) 2N ] -, and [( CF3SO2 ) 2N ] - . This increases the concentration of alkali metal ions, thereby suppressing hydrogen generation at the negative electrode. This increases the charge/discharge efficiency (Coulombic efficiency) of the battery and significantly improves storage performance and cycle life.
また、水系電解質は、前述のアルカリ金属塩と高分子材料との複合体を含むゲル状電解質であってもよい。水系電解質がゲル状電解質である場合、水系電解質からの水分子の負極への拡散を抑制することができ、負極での水素発生を大幅に抑制することができる。このため、電池のサイクル寿命性能及び保存性能を大幅に向上することができる。複合体は、例えば、前述のアルカリ金属塩が水系溶媒に溶解した水系溶液と高分子材料とを複合化によりゲル状にしたゲル状電解質である。アルカリ金属塩と複合化される高分子材料としては、例えば、ポリアクリル酸塩(例えば、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸カリウム等)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)及びポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。高分子材料の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。高分子材料の形態は、例えば、粒状及び繊維状を取り得る。電解質中の高分子材料の含有量は、0.5重量%以上10重量%以下の範囲にすることができる。 The aqueous electrolyte may also be a gel electrolyte containing a complex of the aforementioned alkali metal salt and a polymer material. When the aqueous electrolyte is a gel electrolyte, the diffusion of water molecules from the aqueous electrolyte to the negative electrode can be suppressed, significantly suppressing hydrogen generation at the negative electrode. This significantly improves the cycle life and storage performance of the battery. The complex is, for example, a gel electrolyte formed by complexing an aqueous solution in which the aforementioned alkali metal salt is dissolved in an aqueous solvent with a polymer material. Examples of polymer materials that can be complexed with the alkali metal salt include polyacrylates (e.g., lithium polyacrylate, potassium polyacrylate, etc.), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO). One or more types of polymer material can be used. The polymer material can be in the form of, for example, granules or fibers. The content of the polymer material in the electrolyte can be in the range of 0.5% by weight to 10% by weight.
実施形態の二次電池は、セパレータ、外装部材、正極端子または負極端子をさらに含むことができる。以下、セパレータ、外装部材、正極端子、負極端子について説明する。
(セパレータ)
セパレータは、例えば、正極と負極の間に配置される。また、セパレータの一部は、正極と負極の間に配置される代わりに、正極または負極の一方と接していても良い。
The secondary battery of the embodiment may further include a separator, an exterior member, a positive electrode terminal, or a negative electrode terminal. The separator, the exterior member, the positive electrode terminal, and the negative electrode terminal will be described below.
(separator)
The separator is disposed, for example, between the positive electrode and the negative electrode. Alternatively, a portion of the separator may be in contact with either the positive electrode or the negative electrode instead of being disposed between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータは、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)、セルロース、若しくはポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)を含む多孔質フィルム、又は合成樹脂製不織布から形成される。その他、多孔質フィルムに無機化合物や有機化合物を塗布したセパレータも使用できる。安全性の観点からは、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムを用いることが好ましい。これらの多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能なためである。 The separator is formed, for example, from a porous film containing polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), or a synthetic resin nonwoven fabric. Separators made of porous film coated with inorganic or organic compounds can also be used. From a safety perspective, it is preferable to use a porous film made of polyethylene or polypropylene. This is because these porous films melt at a certain temperature and are capable of interrupting electrical current.
セパレータは、例えば、各々が正極と負極との間に配置された複数のセパレータであり得る。或いは、セパレータは、九十九折にされた一枚のセパレータであり得る。後者の場合、セパレータを折り返すことで出来る空間に正極と負極とが交互に配置される。
(外装部材)
外装部材としては、例えば、ラミネートフィルムからなる容器、又は金属製容器を用いることができる。
The separator may be, for example, a plurality of separators each disposed between a positive electrode and a negative electrode, or may be a single separator folded zigzag, in which case the positive electrodes and negative electrodes are alternately disposed in the spaces formed by folding the separator.
(Exterior member)
The exterior member may be, for example, a container made of a laminate film or a metal container.
ラミネートフィルムの厚さは、例えば、0.5mm以下であり、好ましくは、0.2mm以下である。 The thickness of the laminate film is, for example, 0.5 mm or less, and preferably 0.2 mm or less.
ラミネートフィルムとしては、複数の樹脂層とこれらの樹脂層間に介在した金属層とを含む多層フィルムが用いられる。樹脂層は、例えば、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)等の高分子材料を含んでいる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔からなることが好ましい。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行うことにより、外装部材の形状に成形され得る。 The laminate film used is a multilayer film containing multiple resin layers with metal layers sandwiched between them. The resin layers include polymeric materials such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET). The metal layers are preferably made of aluminum foil or aluminum alloy foil to reduce weight. The laminate film can be molded into the shape of the exterior component by sealing it with heat.
金属製容器の壁の厚さは、例えば、1mm以下であり、より好ましくは0.5mm以下であり、更に好ましくは、0.2mm以下である。 The wall thickness of the metal container is, for example, 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and even more preferably 0.2 mm or less.
金属製容器は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、及びケイ素等の元素を含むことが好ましい。アルミニウム合金は、鉄、銅、ニッケル、及びクロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は100質量ppm以下であることが好ましい。このような金属製容器を備えた電池では、高温環境下での長期信頼性および放熱性を飛躍的に向上させることが可能となる。 The metal container is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy preferably contains elements such as magnesium, zinc, and silicon. If the aluminum alloy contains transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium, the content is preferably 100 ppm by mass or less. Batteries equipped with such a metal container can dramatically improve long-term reliability and heat dissipation in high-temperature environments.
外装部材の形状は、特に限定されない。外装部材の形状は、例えば、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、又はボタン型、シート型、積層型等であってもよい。外装部材は、電池寸法や電池の用途に応じて適宜選択することができる。例えば、外装部材は、携帯用電子機器等に搭載される小型電池用の外装部材であり得る。また、外装部材は、二輪乃至四輪の自動車等の車両に搭載される大型電池用の外装部材であり得る。
(負極端子)
負極端子は、リチウムの酸化還元電位に対し0.8V以上3V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成することができる。具体的には、負極端子の材料としては、銅、ニッケル、ステンレス若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
(正極端子)
正極端子は、リチウムの酸化還元電位に対し3V以上4.5V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、チタン、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
The shape of the exterior member is not particularly limited. The shape of the exterior member may be, for example, flat (thin), rectangular, cylindrical, coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, laminated, or the like. The exterior member can be appropriately selected depending on the battery dimensions and the application of the battery. For example, the exterior member may be an exterior member for a small battery mounted in a portable electronic device or the like. Alternatively, the exterior member may be an exterior member for a large battery mounted in a vehicle such as a two-wheeled or four-wheeled automobile.
(Negative terminal)
The negative electrode terminal can be formed from a material that is electrically stable and conductive in a potential range of 0.8 V to 3 V relative to the redox potential of lithium (vs. Li/Li + ). Specific examples of the material for the negative electrode terminal include copper, nickel, stainless steel, aluminum, and aluminum alloys containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. Aluminum or an aluminum alloy is preferably used as the material for the negative electrode terminal. The negative electrode terminal is preferably made of the same material as the negative electrode current collector in order to reduce contact resistance with the negative electrode current collector.
(positive terminal)
The positive electrode terminal can be formed from a material that is electrically stable and conductive in a potential range of 3 V to 4.5 V relative to the redox potential of lithium (vs. Li/Li + ). Examples of materials for the positive electrode terminal include titanium, aluminum, and aluminum alloys containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The positive electrode terminal is preferably formed from the same material as the positive electrode current collector in order to reduce contact resistance with the positive electrode current collector.
以上説明した第1実施形態の二次電池によれば、正極と導通することにより水素ガスを処理できるガス処理構造体を含むため、内圧上昇を抑制することができ、充放電効率を向上することができる。 The secondary battery of the first embodiment described above includes a gas processing structure that can process hydrogen gas by conducting with the positive electrode, thereby suppressing an increase in internal pressure and improving charge/discharge efficiency.
[第2実施形態]
第2実施形態によると、実施形態に係る電池を含む電池パックが提供される。この電池パックは、実施形態に係る電池を含む組電池を具備することができる。この電池パックは、組電池の代わりに、単一の電池を具備していてもよい。
Second Embodiment
According to a second embodiment, a battery pack including the battery according to the embodiment is provided. This battery pack may include a battery assembly including the battery according to the embodiment. This battery pack may include a single battery instead of the battery assembly.
係る電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、二次電池の充放電を制御する機能を有する。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用してもよい。 Such a battery pack may further include a protection circuit. The protection circuit has the function of controlling the charging and discharging of the secondary battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses the battery pack as a power source (e.g., electronic equipment, automobiles, etc.) may be used as the protection circuit for the battery pack.
また、電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、外部に二次電池からの電流を出力するため、及び/又は二次電池に外部からの電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 The battery pack may also be equipped with external terminals for current flow. The external terminals for current flow are for outputting current from the secondary battery to the outside and/or inputting current from the outside to the secondary battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminals for current flow. Furthermore, when the battery pack is charged, charging current (including regenerative energy from the power of an automobile, etc.) is supplied to the battery pack through the external terminals for current flow.
次に、実施形態に係る電池パックの一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a battery pack according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
図9及び図10に示す電池パック300は、収容容器31と、蓋32と、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35と、図示しない絶縁板とを備えている。 The battery pack 300 shown in Figures 9 and 10 includes a container 31, a lid 32, a protective sheet 33, a battery pack 200, a printed wiring board 34, wiring 35, and an insulating plate (not shown).
図9に示す収容容器31は、長方形の底面を有する有底角型容器である。収容容器31は、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35とを収容可能に構成されている。蓋32は、矩形型の形状を有する。蓋32は、収容容器31を覆うことにより、上記組電池200等を収容する。収容容器31及び蓋32には、図示していないが、外部機器等へと接続するための開口部又は接続端子等が設けられている。 The storage container 31 shown in FIG. 9 is a bottomed, square container with a rectangular bottom. The storage container 31 is configured to be able to accommodate a protective sheet 33, a battery pack 200, a printed wiring board 34, and wiring 35. The lid 32 has a rectangular shape. The lid 32 covers the storage container 31 to accommodate the battery pack 200 and other components. Although not shown, the storage container 31 and the lid 32 are provided with openings or connection terminals for connecting to external devices, etc.
組電池200は、複数の単電池100と、正極側リード207と、負極側リード206と、粘着テープ36とを備えている。 The battery pack 200 includes multiple cells 100, a positive electrode lead 207, a negative electrode lead 206, and adhesive tape 36.
複数の単電池100の少なくとも1つは、実施形態に係る二次電池である。複数の単電池100の各々は、図10に示すように電気的に直列に接続されている。複数の単電池100は、電気的に並列に接続されていてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されていてもよい。複数の単電池100を並列接続すると、直列接続した場合と比較して、電池容量が増大する。 At least one of the multiple cells 100 is a secondary battery according to the embodiment. Each of the multiple cells 100 is electrically connected in series as shown in FIG. 10 . The multiple cells 100 may be electrically connected in parallel, or may be connected in a combination of series and parallel connections. Connecting multiple cells 100 in parallel increases battery capacity compared to connecting them in series.
粘着テープ36は、複数の単電池100を締結している。粘着テープ36の代わりに、熱収縮テープを用いて複数の単電池100を固定してもよい。この場合、組電池200の両側面に保護シート33を配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて複数の単電池100を結束させる。 Adhesive tape 36 fastens the multiple cells 100 together. Instead of adhesive tape 36, heat-shrinkable tape may be used to secure the multiple cells 100 together. In this case, protective sheets 33 are placed on both sides of the battery pack 200, heat-shrinkable tape is wrapped around the cells, and the heat-shrinkable tape is then thermally shrunk to bind the multiple cells 100 together.
正極側リード207の一端は、組電池200に接続されている。正極側リード207の一端は、1以上の単電池100の正極と電気的に接続されている。負極側リード206の一端は、組電池200に接続されている。負極側リード206の一端は、1以上の単電池100の負極と電気的に接続されている。 One end of the positive electrode lead 207 is connected to the battery pack 200. One end of the positive electrode lead 207 is electrically connected to the positive electrode of one or more cells 100. One end of the negative electrode lead 206 is connected to the battery pack 200. One end of the negative electrode lead 206 is electrically connected to the negative electrode of one or more cells 100.
プリント配線基板34は、収容容器31の内側面のうち、一方の短辺方向の面に沿って設置されている。プリント配線基板34は、正極側コネクタ342と、負極側コネクタ343と、サーミスタ345と、保護回路346と、配線342a及び343aと、通電用の外部端子350と、プラス側配線(正側配線)348aと、マイナス側配線(負側配線)348bとを備えている。プリント配線基板34の一方の主面は、組電池200の一側面と向き合っている。プリント配線基板34と組電池200との間には、図示しない絶縁板が介在している。 The printed wiring board 34 is installed along one of the shorter sides of the inner surface of the container 31. The printed wiring board 34 includes a positive connector 342, a negative connector 343, a thermistor 345, a protection circuit 346, wiring 342a and 343a, an external terminal 350 for supplying current, a positive wiring (positive wiring) 348a, and a negative wiring (negative wiring) 348b. One main surface of the printed wiring board 34 faces one side of the battery pack 200. An insulating plate (not shown) is interposed between the printed wiring board 34 and the battery pack 200.
正極側コネクタ342に、正極側リード207の他端207aが電気的に接続されている。負極側コネクタ343に、負極側リード206の他端206aが電気的に接続されている。 The other end 207a of the positive electrode lead 207 is electrically connected to the positive electrode connector 342. The other end 206a of the negative electrode lead 206 is electrically connected to the negative electrode connector 343.
サーミスタ345は、プリント配線基板34の一方の主面に固定されている。サーミスタ345は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路346に送信する。 The thermistor 345 is fixed to one main surface of the printed wiring board 34. The thermistor 345 detects the temperature of each battery cell 100 and transmits the detection signal to the protection circuit 346.
通電用の外部端子350は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。通電用の外部端子350は、電池パック300の外部に存在する機器と電気的に接続されている。通電用の外部端子350は、正側端子352と負側端子353とを含む。 The external terminals 350 for current flow are fixed to the other main surface of the printed wiring board 34. The external terminals 350 for current flow are electrically connected to devices external to the battery pack 300. The external terminals 350 for current flow include a positive terminal 352 and a negative terminal 353.
保護回路346は、プリント配線基板34の他方の主面に固定されている。保護回路346は、プラス側配線348aを介して正側端子352と接続されている。保護回路346は、マイナス側配線348bを介して負側端子353と接続されている。また、保護回路346は、配線342aを介して正極側コネクタ342に電気的に接続されている。保護回路346は、配線343aを介して負極側コネクタ343に電気的に接続されている。更に、保護回路346は、複数の単電池100の各々と配線35を介して電気的に接続されている。 The protection circuit 346 is fixed to the other main surface of the printed wiring board 34. The protection circuit 346 is connected to the positive terminal 352 via the positive wiring 348a. The protection circuit 346 is connected to the negative terminal 353 via the negative wiring 348b. The protection circuit 346 is also electrically connected to the positive connector 342 via wiring 342a. The protection circuit 346 is electrically connected to the negative connector 343 via wiring 343a. The protection circuit 346 is also electrically connected to each of the multiple cells 100 via wiring 35.
保護シート33は、収容容器31の長辺方向の両方の内側面と、組電池200を介してプリント配線基板34と向き合う短辺方向の内側面とに配置されている。保護シート33は、例えば、樹脂又はゴムからなる。 The protective sheet 33 is arranged on both inner surfaces of the long sides of the container 31 and on the inner surface of the short side that faces the printed wiring board 34 via the battery pack 200. The protective sheet 33 is made of, for example, resin or rubber.
保護回路346は、複数の単電池100の充放電を制御する。また、保護回路346は、サーミスタ345から送信される検出信号、又は、個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号に基づいて、保護回路346と外部機器への通電用の外部端子350(正側端子352、負側端子353)との電気的な接続を遮断する。 The protection circuit 346 controls the charging and discharging of the multiple cells 100. Furthermore, the protection circuit 346 cuts off the electrical connection between the protection circuit 346 and the external terminals 350 (positive terminal 352, negative terminal 353) for supplying electricity to external devices based on a detection signal transmitted from the thermistor 345 or a detection signal transmitted from an individual cell 100 or the battery pack 200.
サーミスタ345から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の温度が所定の温度以上であることを検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の過充電、過放電及び過電流を検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100について過充電等を検出する場合、電池電圧を検出してもよく、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。 Examples of detection signals transmitted from the thermistor 345 include signals detecting that the temperature of a cell 100 is equal to or higher than a predetermined temperature. Examples of detection signals transmitted from an individual cell 100 or the battery pack 200 include signals detecting overcharge, overdischarge, and overcurrent of a cell 100. When detecting overcharge, etc. for an individual cell 100, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each cell 100.
なお、保護回路346としては、電池パック300を電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を用いてもよい。 The protection circuit 346 may also be a circuit included in a device (e.g., electronic equipment, automobile, etc.) that uses the battery pack 300 as a power source.
また、この電池パック300は、上述したように通電用の外部端子350を備えている。したがって、この電池パック300は、通電用の外部端子350を介して、組電池200からの電流を外部機器に出力するとともに、外部機器からの電流を、組電池200に入力することができる。言い換えると、電池パック300を電源として使用する際には、組電池200からの電流が、通電用の外部端子350を通して外部機器に供給される。また、電池パック300を充電する際には、外部機器からの充電電流が、通電用の外部端子350を通して電池パック300に供給される。この電池パック300を車載用電池として用いた場合、外部機器からの充電電流として、車両の動力の回生エネルギーを用いることができる。 Furthermore, as described above, the battery pack 300 is equipped with the external terminal 350 for current flow. Therefore, the battery pack 300 can output current from the battery assembly 200 to an external device and input current from the external device to the battery assembly 200 via the external terminal 350 for current flow. In other words, when the battery pack 300 is used as a power source, current from the battery assembly 200 is supplied to the external device via the external terminal 350 for current flow. Furthermore, when charging the battery pack 300, charging current from the external device is supplied to the battery pack 300 via the external terminal 350 for current flow. When the battery pack 300 is used as an in-vehicle battery, regenerative energy from the vehicle's power can be used as charging current from the external device.
なお、電池パック300は、複数の組電池200を備えていてもよい。この場合、複数の組電池200は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。また、プリント配線基板34及び配線35は省略してもよい。この場合、正極側リード207及び負極側リード206を通電用の外部端子の正側端子と負側端子としてそれぞれ用いてもよい。 The battery pack 300 may include multiple battery assemblies 200. In this case, the multiple battery assemblies 200 may be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel connections. The printed wiring board 34 and wiring 35 may also be omitted. In this case, the positive electrode lead 207 and the negative electrode lead 206 may be used as the positive and negative terminals of the external terminals for current flow, respectively.
このような電池パックは、例えば大電流を取り出したときにサイクル性能が優れていることが要求される用途に用いられる。この電池パックは、具体的には、例えば、電子機器の電源、定置用電池、各種車両の車載用電池として用いられる。電子機器としては、例えば、デジタルカメラを挙げることができる。この電池パックは、車載用電池として特に好適に用いられる。 Such battery packs are used in applications that require excellent cycle performance, for example, when drawing large currents. Specific examples of such battery packs include power sources for electronic devices, stationary batteries, and on-board batteries for various vehicles. Examples of electronic devices include digital cameras. This battery pack is particularly suitable for use as an on-board battery.
第2実施形態に係る電池パックは、実施形態に係る二次電池を備えている。そのため、当該電池パックは、内圧上昇を抑制することができると共に、充放電効率を高くすることができる。 The battery pack according to the second embodiment includes the secondary battery according to the embodiment. As a result, the battery pack can suppress an increase in internal pressure and improve charge/discharge efficiency.
[第3実施形態]
第3実施形態によると、実施形態に係る電池パックを含む車両が提供される。
[Third embodiment]
According to a third embodiment, a vehicle including a battery pack according to an embodiment is provided.
係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(Regenerator:再生器)を含んでいてもよい。 In such a vehicle, the battery pack, for example, recovers regenerative energy from the vehicle's motive power. The vehicle may also include a mechanism (regenerator) that converts the vehicle's kinetic energy into regenerative energy.
実施形態に係る車両の例としては、例えば、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of vehicles according to the present embodiment include two- to four-wheel hybrid electric vehicles, two- to four-wheel electric vehicles, power-assisted bicycles, and railcars.
実施形態に係る車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The mounting location of the battery pack in the vehicle according to the embodiment is not particularly limited. For example, when the battery pack is mounted in an automobile, the battery pack can be mounted in the engine compartment, the rear of the vehicle body, or under the seat.
実施形態に係る車両は、複数の電池パックを搭載してもよい。この場合、それぞれの電池パックが含む電池同士は、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。例えば、各電池パックが組電池を含む場合は、組電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、又は電気的に並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。或いは、各電池パックが単一の電池を含む場合は、それぞれの電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。 Vehicles according to embodiments may be equipped with multiple battery packs. In this case, the batteries included in each battery pack may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected using a combination of series and parallel connections. For example, if each battery pack includes a battery assembly, the battery assembly may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected using a combination of series and parallel connections. Alternatively, if each battery pack includes a single battery, the batteries may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected using a combination of series and parallel connections.
次に、実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a vehicle according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
図11に示す車両400は、車両本体40と、実施形態に係る電池パック300とを含んでいる。図11に示す例では、車両400は、四輪の自動車である。 The vehicle 400 shown in FIG. 11 includes a vehicle body 40 and a battery pack 300 according to an embodiment. In the example shown in FIG. 11, the vehicle 400 is a four-wheeled automobile.
この車両400は、複数の電池パック300を搭載してもよい。この場合、電池パック300が含む電池(例えば、単電池または組電池)は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。 The vehicle 400 may be equipped with multiple battery packs 300. In this case, the batteries (e.g., single cells or battery packs) included in the battery packs 300 may be connected in series, in parallel, or in a combination of series and parallel connections.
図11では、電池パック300が車両本体40の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている例を図示している。上述したとおり、電池パック300は、例えば、車両本体40の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック300は、車両400の電源として用いることができる。また、この電池パック300は、車両400の動力の回生エネルギーを回収することができる。 Figure 11 illustrates an example in which the battery pack 300 is mounted in an engine compartment located in the front of the vehicle body 40. As mentioned above, the battery pack 300 may also be mounted, for example, at the rear of the vehicle body 400 or under a seat. This battery pack 300 can be used as a power source for the vehicle 400. In addition, this battery pack 300 can recover regenerative energy for powering the vehicle 400.
第3実施形態に係る車両は、実施形態に係る電池パックを搭載している。したがって、当該車両は、高パフォーマンスを示すことができ、且つ信頼性が高い。 The vehicle according to the third embodiment is equipped with a battery pack according to the embodiment. Therefore, the vehicle can exhibit high performance and is highly reliable.
[第4実施形態]
第4実施形態によると、実施形態に係る電池パックを含む定置用電源が提供される。
[Fourth embodiment]
According to a fourth embodiment, a stationary power source including a battery pack according to an embodiment is provided.
係る定置用電源は、実施形態に係る電池パックの代わりに、実施形態に係る組電池又は実施形態に係る電池を搭載していてもよい。係る定置用電源は、長寿命を示すことができる。 Such a stationary power source may be equipped with a battery pack according to an embodiment or a battery according to an embodiment instead of the battery pack according to an embodiment. Such a stationary power source can exhibit a long life.
図12は、実施形態に係る電池パック300A、300Bの使用例として、定置用電源112、123への適用例を示す図である。図12に示す一例では、定置用電源112,123が用いられるシステム110が示される。システム110は、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びエネルギー管理システム(EMS)115を備える。また、システム110には、電力網116及び通信網117が形成され、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びEMS115は、電力網116及び通信網117を介して、接続される。EMS115は、電力網116及び通信網117を活用して、システム110全体を安定化させる制御を行う。 Figure 12 is a diagram showing an example of application of battery packs 300A, 300B according to an embodiment to stationary power sources 112, 123. The example shown in Figure 12 illustrates a system 110 in which stationary power sources 112, 123 are used. System 110 includes a power plant 111, a stationary power source 112, a customer-side power grid 113, and an energy management system (EMS) 115. System 110 also includes a power grid 116 and a communication network 117, and power plant 111, stationary power source 112, customer-side power grid 113, and EMS 115 are connected via power grid 116 and communication network 117. EMS 115 utilizes power grid 116 and communication network 117 to perform control to stabilize the entire system 110.
発電所111は、火力及び原子力等の燃料源によって、大容量の電力を生成する。発電所111からは、電力網116等を通して電力が供給される。また、定置用電源112には、電池パック300Aが搭載される。電池パック300Aは、発電所111から供給される電力等を蓄電できる。また、定置用電源112は、電池パック300Aに蓄電された電力を、電力網116等を通して供給できる。システム110には、電力変換装置118が設けられる。電力変換装置118は、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置118は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置118は、発電所111からの電力を、電池パック300Aへ蓄電可能な電力に変換できる。 The power plant 111 generates large amounts of electricity using fuel sources such as thermal and nuclear power. Power is supplied from the power plant 111 via the power grid 116, etc. The stationary power source 112 is equipped with a battery pack 300A. The battery pack 300A can store the power supplied from the power plant 111. The stationary power source 112 can supply the power stored in the battery pack 300A via the power grid 116, etc. The system 110 is also equipped with a power conversion device 118. The power conversion device 118 includes a converter, inverter, transformer, etc. Therefore, the power conversion device 118 can convert between direct current and alternating current, convert between alternating currents with different frequencies, and perform voltage transformation (boost and step-down). Therefore, the power conversion device 118 can convert power from the power plant 111 into power that can be stored in the battery pack 300A.
需要家側電力系統113には、工場用の電力系統、ビル用の電力系統、及び、家庭用の電力系統等が、含まれる。需要家側電力系統113は、需要家側EMS121、電力変換装置122及び定置用電源123を備える。定置用電源123には、電池パック300Bが搭載される。需要家側EMS121は、需要家側電力系統113を安定化させる制御を行う。 The consumer-side power system 113 includes a power system for factories, a power system for buildings, and a power system for homes. The consumer-side power system 113 includes a consumer-side EMS 121, a power conversion device 122, and a stationary power source 123. The stationary power source 123 is equipped with a battery pack 300B. The consumer-side EMS 121 performs control to stabilize the consumer-side power system 113.
需要家側電力系統113には、発電所111からの電力、及び、電池パック300Aからの電力が、電力網116を通して供給される。電池パック300Bは、需要家側電力系統113に供給された電力を蓄電できる。また、電力変換装置122は、電力変換装置118と同様に、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置122は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置122は、需要家側電力系統113に供給された電力を、電池パック300Bへ蓄電可能な電力に変換できる。 The consumer-side power system 113 receives power from the power plant 111 and power from the battery pack 300A via the power grid 116. The battery pack 300B can store the power supplied to the consumer-side power system 113. Similarly to the power conversion device 118, the power conversion device 122 includes a converter, inverter, transformer, and the like. Therefore, the power conversion device 122 can convert between direct current and alternating current, convert between alternating currents with different frequencies, and perform voltage transformation (boost and step-down). Therefore, the power conversion device 122 can convert the power supplied to the consumer-side power system 113 into power that can be stored in the battery pack 300B.
なお、電池パック300Bに蓄電された電力は、例えば、電気自動車等の車両の充電等に用いることができる。また、システム110には、自然エネルギー源が設けられてもよい。この場合、自然エネルギー源は、風力及び太陽光等の自然エネルギーによって、電力を生成する。そして、発電所111に加えて自然エネルギー源からも、電力網116を通して、電力が供給される。 The electricity stored in the battery pack 300B can be used, for example, to charge vehicles such as electric cars. The system 110 may also be equipped with a natural energy source. In this case, the natural energy source generates electricity using natural energy such as wind power and sunlight. Electricity is then supplied from the natural energy source in addition to the power plant 111 via the power grid 116.
[実施例]
以下に、上記実施形態を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は下記実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(正極の作製)
正極活物質として、100重量部のLiMn2O4の粉末を準備した。導電剤として、10重量部のアセチレンブラックを用いた。また、結着剤として、10重量部のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。そして、正極活物質、導電剤及び結着剤を、N-メチルピロリドン(N-methyl pyrrolidone;NMP)に加えて混合し、スラリーを調製した。また、調製したスラリーを、正極集電体の両面に塗布した。正極集電体は、厚さ15μmのチタン箔を用いた。そして、スラリーの塗膜を乾燥させた後、正極集電体と塗膜とにプレスを施すことにより正極シートを作製した。作製した正極シートを打抜き、10mm×30mmのタブ部分と、30mm×40mmの電極部分(正極合材層形成部分)とから成る形状の正極を得た。
(負極の作製)
負極活物質として、100重量部のLi4Ti5O12粉末を用い、導電剤として、10重量部のアセチレンブラックを用いた。また、結着剤として、10重量部のPVdFを用いた。そして、負極活物質、導電剤及び結着剤を、NMPに加えて混合し、スラリーを調製した。また、調整したスラリーを、負極集電体の両面に塗布した。負極集電体は、層厚1μmの炭素含有被覆層を有する亜鉛箔を用い、厚さ15μmのものを用いた。そして、スラリーの塗膜を乾燥させた後、負極集電体と塗膜とにプレスを施すことにより負極シートを作製した。負極シートは、作製した負極シートを打抜き、10mm×30mmのタブ部分と、30mm×40mmの電極部分(負極合材層形成部分)とからなる形状の負極を形成した。
(二次電池の作製)
前述のように作製した正極及び負極を交互に積層して、電極群としてスタック体を作製した。スタック体では、正極と負極との間にセパレータを介在させた。また、セパレータには、硬質ろ紙を用いた。また、正極及び負極のそれぞれでは、タブ部分に対して端子を超音波溶接した。端子は、正極はチタン製リボンを、負極は表面を陽極酸化処理したアルミニウム製の端子を用いた。さらに、スタック体(電極群)を、ラミネートフィルムから成る外装部材に収納した。ラミネートフィルムとしては、厚さが40μmのアルミニウム箔の両面にポリプロピレン層が形成されたフィルムを用いた。
[Example]
The above-described embodiment will be specifically explained below using examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as they do not deviate from the gist of the present invention.
Example 1
(Preparation of Positive Electrode)
100 parts by weight of LiMn 2 O 4 powder was prepared as the positive electrode active material. 10 parts by weight of acetylene black was used as the conductive agent. 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the binder. The positive electrode active material, conductive agent, and binder were then added to N-methylpyrrolidone (NMP) and mixed to prepare a slurry. The prepared slurry was then applied to both sides of a positive electrode current collector. A 15 μm thick titanium foil was used as the positive electrode current collector. After drying the slurry coating, the positive electrode current collector and coating were pressed together to prepare a positive electrode sheet. The prepared positive electrode sheet was punched out to obtain a positive electrode consisting of a 10 mm x 30 mm tab portion and a 30 mm x 40 mm electrode portion (portion where the positive electrode composite layer was formed).
(Preparation of negative electrode)
100 parts by weight of Li4Ti5O12 powder was used as the negative electrode active material, and 10 parts by weight of acetylene black was used as the conductive agent. 10 parts by weight of PVdF was used as the binder. The negative electrode active material, conductive agent, and binder were then added to NMP and mixed to prepare a slurry. The prepared slurry was then applied to both sides of the negative electrode current collector. The negative electrode current collector was made of zinc foil having a 1 μm thick carbon-containing coating layer, with a thickness of 15 μm. After drying the coating of the slurry, the negative electrode current collector and the coating were pressed to prepare a negative electrode sheet. The negative electrode sheet was punched out to form a negative electrode having a shape consisting of a 10 mm x 30 mm tab portion and a 30 mm x 40 mm electrode portion (negative electrode composite layer forming portion).
(Fabrication of secondary battery)
The positive and negative electrodes prepared as described above were alternately stacked to produce a stack as an electrode group. In the stack, a separator was interposed between the positive and negative electrodes. Hard filter paper was used as the separator. Terminals were ultrasonically welded to the tabs of each of the positive and negative electrodes. Titanium ribbon terminals were used for the positive electrode, and aluminum terminals with anodized surfaces were used for the negative electrode. The stack (electrode group) was then housed in an exterior member made of a laminate film. The laminate film used was a film in which polypropylene layers were formed on both sides of a 40 μm-thick aluminum foil.
また、30mm×40mmのサイズのカーボンペーパーに、白金担持カーボン及び結着剤としてPvDFを含むペーストを塗布量2.0mg/m2で塗布し、乾燥することによりガス処理層を形成し、ガス処理構造体を作製した。カーボンペーパーにTiワイヤをテープで固定した。 A paste containing platinum-supported carbon and PvDF as a binder was applied to a 30 mm × 40 mm carbon paper sheet at a coating amount of 2.0 mg/ m2 and dried to form a gas-treating layer, thereby producing a gas-treating structure. A Ti wire was fixed to the carbon paper sheet with tape.
電極群(スタック体)の上方にガス処理構造体を、電極群から一定の距離を開けて配置した。電極群の正極端子にガス処理構造体のTiワイヤを超音波溶接で固定し、ガス処理構造体を正極と導通させた。 The gas processing structure was placed above the electrode group (stack body) at a certain distance from the electrode group. The Ti wire of the gas processing structure was fixed to the positive electrode terminal of the electrode group by ultrasonic welding, establishing electrical continuity between the gas processing structure and the positive electrode.
そして、作製した電極群に水系電解質として12MのLiClと1MのLiOH水溶液を3ml滴下した。その後、ラミネートフィルム製外装部材を、ヒートシールにより完全密閉した。これにより、ラミネートセル型の水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2)
図7に示す通り、ガス処理構造体5のカーボンペーパー13のガス処理層を設置していない面に、3mm幅で0.3mm深さの溝部24が等間隔に並べられたPTFEシート25を配置した。PTFEシート25の溝部24を外側に向け、溝部の形成されていない面をカーボンペーパー13と接触させた。これ以外は、実施例1と同様にして水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例3)
ガス処理構造体のカーボンペーパーと正極端子とを電気的に接続しているTiワイヤに、10Ωの抵抗器を介在させたこと以外は、実施例2と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例4)
電極群の最外層が正極となるように作製すること以外は、実施例1と同様にして電極群を作製した。また、ガス処理構造体を実施例1で説明したのと同様にして作製した。電極群の最外層に位置する正極に、ガス処理構造体をカーボンペーパが正極と接するように積層した。正極とガス処理構造体をTiワイヤで電気的に接続することは行わなかった。従って、ガス処理構造体を正極と直接接触させることにより導通させた。これ以外は実施例1と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例5)
正極活物質としてLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)を使用した点以外は実施例1と同様にして正極を作製した。得られた正極を用いること以外は、実施例1と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例6)
実施例2と同様にして作製したガス処理構造体を10層積層した。各層のカーボンペーパーにTiワイヤをテープで固定し、Tiワイヤそれぞれの先端を正極端子に超音波溶接した。これ以外は実施例1と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(比較例1)
ガス処理構造体を設置しなかった点以外は、実施例1と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(比較例2)
ガス処理構造体を設置しなかった点以外は、実施例5と同様として水系リチウムイオン二次電池を作製した。
(電池評価)
作成した水系リチウムイオン二次電池を、充電電位を2.7V、放電電位を2.1Vとして、25℃の環境下にて1C(本例では100mA)の電流値での定電流充電を行った。そして、充電開始から1.1h(1.1時間)が経過した後、あるいは電流値が0.5C(本例では50mA)以下に収束したことに基づいて、1回の充電を終了した。放電は1Cで2.1V到達まで定電流放電を行った。上記の充放電を20回繰り返し、前後のセル体積を測定することで、発生ガス量を算出した。
Then, 3 ml of a 12 M LiCl and 1 M LiOH aqueous solution was dropped onto the electrode assembly as an aqueous electrolyte. The laminate film exterior member was then completely sealed by heat sealing. This completed the production of a laminate cell-type aqueous lithium-ion secondary battery.
Example 2
7 , a PTFE sheet 25 having 3 mm wide and 0.3 mm deep grooves 24 arranged at equal intervals was placed on the side of the carbon paper 13 of the gas processing structure 5 where the gas processing layer was not provided. The grooves 24 of the PTFE sheet 25 were faced outward, and the side without the grooves was brought into contact with the carbon paper 13. Apart from this, a water-based lithium-ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1.
Example 3
A water-based lithium-ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that a 10 Ω resistor was inserted between the Ti wire electrically connecting the carbon paper of the gas processing structure and the positive electrode terminal.
Example 4
An electrode assembly was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the outermost layer of the electrode assembly was fabricated to be the positive electrode. A gas-processing structure was also fabricated in the same manner as described in Example 1. The gas-processing structure was laminated on the positive electrode positioned in the outermost layer of the electrode assembly so that the carbon paper was in contact with the positive electrode. The positive electrode and the gas-processing structure were not electrically connected with a Ti wire. Therefore, electrical conduction was achieved by directly contacting the gas-processing structure with the positive electrode. A water-based lithium-ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except for this.
Example 5
A positive electrode was fabricated in the same manner as in Example 1, except that LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 ( NCM ) was used as the positive electrode active material. A water-based lithium - ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode was used.
Example 6
Ten gas-processing structures fabricated in the same manner as in Example 2 were stacked. Ti wires were fixed to the carbon paper of each layer with tape, and the tips of the Ti wires were ultrasonically welded to the positive electrode terminal. A water-based lithium-ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except for this.
(Comparative Example 1)
A water-based lithium-ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the gas-processing structure was not provided.
(Comparative Example 2)
A water based lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5, except that the gas processing structure was not provided.
(Battery evaluation)
The fabricated aqueous lithium-ion secondary battery was subjected to constant current charging at a current value of 1 C (100 mA in this example) in an environment of 25°C, with a charge potential of 2.7 V and a discharge potential of 2.1 V. The charging cycle was terminated after 1.1 hours (1.1 hours) had elapsed since the start of charging, or when the current value converged to 0.5 C (50 mA in this example) or less. The battery was discharged at a constant current of 1 C until the voltage reached 2.1 V. The above charge/discharge cycle was repeated 20 times, and the cell volume was measured before and after each cycle to calculate the amount of gas generated.
上記条件で実施した20回の充放電それぞれの回の充放電効率(%)を、100×{放電容量(mAh/g)/充電容量(mAh/g)から算出した。算出した充放電効率の平均を表1に示す。表1におけるLMOは、LiMn2O4を示す。NCMは、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2を示す。TLOはLi4Ti5O12を示す。 The charge-discharge efficiency (%) for each of the 20 charge-discharge cycles performed under the above conditions was calculated by 100 × {discharge capacity (mAh/g)/charge capacity ( mAh/ g )}. The average of the calculated charge-discharge efficiencies is shown in Table 1. In Table 1, LMO represents LiMn2O4 , NCM represents LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , and TLO represents Li4Ti5O12 .
表1から明らかな通り、ガス処理構造体を備えた実施例1―6の二次電池は、ガス処理構造体を備えていない比較例1,2の二次電池に比して、20充放電サイクル後のガス量が少なく、かつ平均充放電効率が高いことがわかる。 As is clear from Table 1, the secondary batteries of Examples 1-6 equipped with a gas treatment structure had a smaller amount of gas after 20 charge/discharge cycles and a higher average charge/discharge efficiency than the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2, which did not have a gas treatment structure.
これらの少なくとも一つの実施形態又は実施例の二次電池によれば、正極と導通することにより水素ガスを処理できるガス処理構造体を備えるため、内圧上昇を抑制することができ、充放電効率を向上することができる。 The secondary battery of at least one of these embodiments or examples is equipped with a gas processing structure that can process hydrogen gas by conducting with the positive electrode, thereby suppressing an increase in internal pressure and improving charge/discharge efficiency.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
以下、実施形態に係る発明を付記する。 The following is a description of the invention according to the embodiment.
[1] 正極と、
負極と、
水系電解質と、
前記正極と導通させることにより水素ガスを処理できるガス処理構造体とを含む、二次電池。
[1] a positive electrode;
a negative electrode;
an aqueous electrolyte;
a gas treatment structure capable of treating hydrogen gas by being electrically connected to the positive electrode.
[2] 前記ガス処理構造体は、導電性の多孔質基板と、前記多孔質基板に積層され、かつ水素吸蔵合金あるいは貴金属触媒の少なくとも一方を含むガス処理層とを含む、[1]に記載の二次電池。 [2] The secondary battery described in [1], wherein the gas processing structure includes a conductive porous substrate and a gas processing layer laminated on the porous substrate and containing at least one of a hydrogen storage alloy or a precious metal catalyst.
[3] 前記ガス処理構造体は、導電性の多孔質基板と、前記多孔質基板の一方の面に積層され、かつ水素吸蔵合金あるいは貴金属触媒の少なくとも一方を含むガス処理層と、前記多孔質基板の他方の面に積層され、ガス流路を有する層とを含む、[1]に記載の二次電池。 [3] The secondary battery described in [1], wherein the gas processing structure includes a conductive porous substrate, a gas processing layer laminated on one surface of the porous substrate and containing at least one of a hydrogen storage alloy or a precious metal catalyst, and a layer laminated on the other surface of the porous substrate and having a gas flow path.
[4]前記ガス処理構造体は、抵抗器を介して前記正極と電気的に接続されている、[1]~[3]のいずれか1項に記載の二次電池。 [4] The secondary battery described in any one of [1] to [3], wherein the gas processing structure is electrically connected to the positive electrode via a resistor.
[5]前記ガス処理構造体は、スイッチング素子を介して前記正極と電気的に接続されている、[1]~[3]のいずれか1項に記載の二次電池。 [5] The secondary battery described in any one of [1] to [3], wherein the gas processing structure is electrically connected to the positive electrode via a switching element.
[6] 前記ガス処理構造体の前記多孔質基板が前記正極と接している、[2]に記載の二次電池。 [6] The secondary battery described in [2], wherein the porous substrate of the gas processing structure is in contact with the positive electrode.
[7] リチウムイオン二次電池である、[1]~[6]のいずれか1項に記載の二次電池。 [7] The secondary battery described in any one of [1] to [6] above, which is a lithium ion secondary battery.
[8] [1]から[7]の何れか1項に記載の二次電池を具備した電池パック。 [8] A battery pack comprising the secondary battery described in any one of [1] to [7].
[9] 通電用の外部端子と、保護回路とを更に含む、[8]に記載の電池パック。 [9] The battery pack described in [8], further including an external terminal for applying current and a protection circuit.
[10] 複数の前記二次電池を具備し、前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、[8]または[9]に記載の電池パック。 [10] The battery pack described in [8] or [9] includes a plurality of the secondary batteries, which are electrically connected in series, parallel, or a combination of series and parallel.
[11] [8]~[10]の何れか1項に記載の電池パックを具備した車両。 [11] A vehicle equipped with a battery pack described in any one of [8] to [10].
[12] 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、[11]に記載の車両。 [12] The vehicle described in [11], including a mechanism for converting the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
[13] [8]~[10]の何れか1項に記載の電池パックを具備した定置用電源。 [13] A stationary power source equipped with the battery pack described in any one of [8] to [10].
1…二次電池、2…外装部材、3…積層体、4…電極群、5…ガス処理構造体、6…正極端子、7…負極端子、8…配線、8a…配線、8b…配線、8c…配線、9…抵抗器、10…正極、10a…正極集電体、10b…正極合剤層、11…負極、11a…負極集電体、11b…負極合剤層、11c…負極タブ、12…セパレータ、13…多孔質基板、14…ガス処理層、21…スイッチング素子、22…導電部材、22a…第1導電板、22b…第2導電板、23…電解質層、24…ガス流路、25…層、26…一方向、31…収容容器、32…蓋、33…保護シート、34…プリント配線基板、35…配線、36…粘着テープ、40…車両本体、100…二次電池、110…システム、111…発電所、112…定置用電源、113…需要家側電力系統、115…エネルギー管理システム(EMS)、115…エネルギー管理システム、116…電力網、117…通信網、118…電力変換装置、121…需要家側EMS、122…電力変換装置、123…定置用電源。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Secondary battery, 2...Exterior member, 3...Laminate, 4...Electrode group, 5...Gas treatment structure, 6...Positive electrode terminal, 7...Negative electrode terminal, 8...Wiring, 8a...Wiring, 8b...Wiring, 8c...Wiring, 9...Resistor, 10...Positive electrode, 10a...Positive electrode current collector, 10b...Positive electrode mixture layer, 11...Negative electrode, 11a...Negative electrode current collector, 11b...Negative electrode mixture layer, 11c...Negative electrode tab, 12...Separator, 13...Porous substrate, 14...Gas treatment layer, 21...Switching element, 22...Conductive member, 22a...First conductive plate, 22b...Second conductive plate, 23...Electrolyte layer, 24...Gas Gas flow path, 25...layer, 26...one-way, 31...container, 32...lid, 33...protective sheet, 34...printed wiring board, 35...wiring, 36...adhesive tape, 40...vehicle body, 100...secondary battery, 110...system, 111...power plant, 112...stationary power source, 113...consumer-side power system, 115...energy management system (EMS), 115...energy management system, 116...power grid, 117...communication network, 118...power conversion device, 121...consumer-side EMS, 122...power conversion device, 123...stationary power source.
Claims (13)
負極と、
水系電解質と、
前記正極と導通させることにより水素ガスを処理できるガス処理構造体とを含む、二次電池。 A positive electrode and
a negative electrode;
an aqueous electrolyte;
a gas treatment structure capable of treating hydrogen gas by being electrically connected to the positive electrode.
A stationary power source comprising the battery pack according to claim 8.
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